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物理学和力学第1页，共26页，编辑于2022年，星期日第一章第一章 物理学和力学物理学和力学 没有今日的基础科学没有今日的基础科学,就没有明日的科技就没有明日的科技应用应用,可以想象可以想象,我们现在的基础科学将我们现在的基础科学将怎样地影响怎样地影响21世纪的科技文明世纪的科技文明.李政道李政道 物理学属于基础科学范畴物理学属于基础科学范畴,是一门素质课是一门素质课,物理思想物理思想和物理方法是一个科学工作者灵感之所在和物理方法是一个科学工作者灵感之所在,基础之所在基础之所在.力学力学学习物理学的开始学习物理学的开始.第2页，共26页，编辑于2022年，星期日1.1发展着的物理学发展着的物理学1.1.1经典物理学与现代物理学经典物理学与现代物理学经典物理学经典物理学经典力学经典力学经典热力学经典热力学,经典统计物理学经典统计物理学 经典电磁学经典电磁学现代物理学基础现代物理学基础 狭义相对论狭义相对论 量子力学量子力学广义相对论广义相对论 第3页，共26页，编辑于2022年，星期日牛顿牛顿开普勒开普勒伽利略伽利略 他们为经典力学的建立做出贡献他们为经典力学的建立做出贡献 第4页，共26页，编辑于2022年，星期日玻尔兹曼他们为经典热力学统计物理他们为经典热力学统计物理的建立做出贡献的建立做出贡献 第5页，共26页，编辑于2022年，星期日他们为经典电磁理论的建立做出贡献他们为经典电磁理论的建立做出贡献 第6页，共26页，编辑于2022年，星期日 X射线、电子、放射性的发现，物理学的研究射线、电子、放射性的发现，物理学的研究由宏观转向微观由宏观转向微观.伦琴发现伦琴发现X射线射线 J.J.Thomson发现电子发现电子A.H.Becquerel发现放射性发现放射性第7页，共26页，编辑于2022年，星期日爱因斯坦他们奠定了他们奠定了现代物理学现代物理学基础基础 第8页，共26页，编辑于2022年，星期日1.1.2 微观世界微观世界 1914年卢瑟福发年卢瑟福发现现 射线射线,射线射线,建立了原子有核建立了原子有核模型模型.电子的发现，确认了原子是可分的，为探索原子电子的发现，确认了原子是可分的，为探索原子结构以及为探索更深层次的结构开辟了道路结构以及为探索更深层次的结构开辟了道路.第9页，共26页，编辑于2022年，星期日物质是由轻子和夸克组成物质是由轻子和夸克组成.轻子有电子、轻子有电子、子、子、子、电子中微子、子、电子中微子、子中微子子中微子和和 子中微子，每一种均有反粒子，共有子中微子，每一种均有反粒子，共有12种种.夸克有夸克有6种味，即上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸种味，即上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克克、底夸克和顶夸克.每种味又分红、蓝和绿每种味又分红、蓝和绿3种色种色.粒子之粒子之间有四种有四种基本相互作用：基本相互作用：引力相互作用、电磁相引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用互作用、弱相互作用和强相互作用.粒子之粒子之间的的基本相互作基本相互作用是通用是通过交交换某种粒子来某种粒子来传递的，即基本相互作用都是由媒的，即基本相互作用都是由媒介粒子介粒子传递的，的，这类媒介粒子媒介粒子统称称为规范玻色子范玻色子.电磁力以光子为媒介，弱力的媒介为电磁力以光子为媒介，弱力的媒介为Z0和和W粒子，强力的粒子，强力的媒介有媒介有8种颜色的胶子种颜色的胶子.第10页，共26页，编辑于2022年，星期日1.1.3 宇宙的早期演化宇宙的早期演化 强子强子时代时代轻子轻子时代时代辐射时代辐射时代恒星恒星星系星系形成形成直至直至现在现在0第11页，共26页，编辑于2022年，星期日1.1.4 非线性系统的复杂行为非线性系统的复杂行为 一旦系统出现非线性一旦系统出现非线性,便可能呈现复杂行为便可能呈现复杂行为.这种复杂行这种复杂行为有时会表现为规则的时空或功能有序为有时会表现为规则的时空或功能有序,有时也会表现为有时也会表现为貌似无序的序貌似无序的序.复杂行为不仅能发生于物理和化学系统复杂行为不仅能发生于物理和化学系统,也能发也能发生于生命和社会系统生于生命和社会系统.第12页，共26页，编辑于2022年，星期日1.2 物理学科的特点物理学科的特点一、物理学的研究方法和步骤一、物理学的研究方法和步骤 修改理论修改理论理论预言理论预言研究的步骤研究的步骤实验检验实验检验应用应用提出命题提出命题(观测、实验、目的、原理观测、实验、目的、原理)推测答案推测答案(模型、定性、定量、假说模型、定性、定量、假说)二、物理学思维特点二、物理学思维特点敢于想像敢于想像善于归纳善于归纳创设模型创设模型第13页，共26页，编辑于2022年，星期日三、物理学与科学技术三、物理学与科学技术笫一次笫一次,开始于开始于18世纪世纪60年代年代,主要标志是蒸汽机的广泛应用主要标志是蒸汽机的广泛应用,它是它是牛顿力学和热力学发展的结果牛顿力学和热力学发展的结果.笫二次笫二次,开始于开始于19世纪世纪70年代年代,主要标志是电力的广泛应用和无线电主要标志是电力的广泛应用和无线电通讯的实现通讯的实现,它是电磁学发展的结果它是电磁学发展的结果.笫三次笫三次,开始于开始于20世纪世纪40年代的电脑、电信革命，也叫做年代的电脑、电信革命，也叫做“数字数字革命革命”.它是近代物理学发展的结果它是近代物理学发展的结果.科学解决理论问题，技术解决实际问题科学解决理论问题，技术解决实际问题.发展模式发展模式技术物理技术技术物理技术物理技术物理物理技术物理第一次技术革命第一次技术革命第二次技术革命第二次技术革命第14页，共26页，编辑于2022年，星期日目前国际通用的时间单位是秒（目前国际通用的时间单位是秒（s）.为提高精度，为提高精度，1967年国际计量大会决定采用原子的跃迁辐射作为计时标准年国际计量大会决定采用原子的跃迁辐射作为计时标准,并规定并规定铯铯-133原子基态的两个超精细能级间跃迁相对应原子基态的两个超精细能级间跃迁相对应的辐射的的辐射的9 192 631 770个周期的持续时间作为个周期的持续时间作为1s.这样的这样的原子标准称为原子时原子标准称为原子时.1.3.1 时间的计量时间的计量 一切周期运动都可用来量度时间一切周期运动都可用来量度时间.1.3 时间和长度的测量时间和长度的测量第15页，共26页，编辑于2022年，星期日 可用物体来计量长度可用物体来计量长度.如古代测量长度常以人体的某部如古代测量长度常以人体的某部分作为单位和标准分作为单位和标准.近代的测量长度单位是在法国的米制近代的测量长度单位是在法国的米制单位发展起来的单位发展起来的规定通过巴黎的子午线的规定通过巴黎的子午线的1/(1107)为为1m(米米).目前在国际单位制中长度的单位是米目前在国际单位制中长度的单位是米(m).在在1983年国际计量年国际计量大会规定大会规定:“1m为光在真空中传播为光在真空中传播(1/299 792 458)s 时间间隔内所经时间间隔内所经路径的长度路径的长度”.1.3.2 长度的计量长度的计量 第16页，共26页，编辑于2022年，星期日1.4 单位制和量纲单位制和量纲 物理学中物理学中,物理公式总是和一定的物理公式总是和一定的“单位制单位制”相联系相联系,“单位单位制制”就是各物理量间相互配套的一组单位就是各物理量间相互配套的一组单位.1.4.1 基本单位和导出单位基本单位和导出单位基本单位：基本单位：选定几个物理量作为基本量选定几个物理量作为基本量,人为地规定人为地规定 其单其单位，称为基本单位制位，称为基本单位制.导出单位：导出单位：从基本量导出的量称为导出量，其单位是基从基本量导出的量称为导出量，其单位是基 本单位的组合，称为导出单位本单位的组合，称为导出单位.根据同一规律写出的公式，采用的单位不同，公式中出现根据同一规律写出的公式，采用的单位不同，公式中出现的因子不同的因子不同.第17页，共26页，编辑于2022年，星期日1.4.2 国际单位制国际单位制(SI)基本量基本量:长度长度 质量质量 时间时间 电流电流 温度温度 物质的量物质的量 光强度光强度单单 位位:m kg s A K mol cd导出量导出量:速度速度 加速度加速度 力力 动量动量 单单 位位:m/s m/s2 N kg m/s 辅助单位辅助单位:平面角平面角 立体角立体角单单 位：位：rad sr（球面度）（球面度）辅助单位可以参与导出单位，如角速率辅助单位可以参与导出单位，如角速率 rad/sSI词头：词头：因为用很大单位测很小的量或用很小单位测很大因为用很大单位测很小的量或用很小单位测很大的量都不方便，为使单位大小相济，适应不同问题的需要，的量都不方便，为使单位大小相济，适应不同问题的需要，在在SI中规定了中规定了“SI词头词头”.如表如表1.3.第18页，共26页，编辑于2022年，星期日1.4.3 量纲式量纲式量纲：量纲：表示一个物理量由基本量的幂次组合的式子表示一个物理量由基本量的幂次组合的式子.基本量选定后基本量选定后,导出量的量纲可由基本量的量纲的组合导出量的量纲可由基本量的量纲的组合而得而得.在国际单位制中在国际单位制中,表示力学量表示力学量A的量纲式为的量纲式为如：如：L为长度的量纲，为长度的量纲，M为质量的量纲，为质量的量纲，T为时间的量纲为时间的量纲.p、q、r 为量纲指数为量纲指数 1.量纲量纲速度的量纲速度的量纲 加速度的量纲加速度的量纲 力的量纲力的量纲 圆心角的量纲圆心角的量纲 第19页，共26页，编辑于2022年，星期日(3)为推导某些复杂公式提供线索为推导某些复杂公式提供线索.(1)用量纲检查等式的正误用量纲检查等式的正误.因为只有量纲相同的量才能彼因为只有量纲相同的量才能彼此相等，所以等式两边的量的量纲必须相同此相等，所以等式两边的量的量纲必须相同.(2)用量纲分析方程中比例系数的单位用量纲分析方程中比例系数的单位.2.应用应用 第20页，共26页，编辑于2022年，星期日1.5 数量级估计数量级估计1.5.1 有效数字有效数字1.520 有四位有效数字有四位有效数字 567.23 有五位有效数字有五位有效数字1.35cm 有三位有效数字有三位有效数字 0.0135m有三位有效数字有三位有效数字1.0035 有五位有效数字有五位有效数字 1.000cm有四位有效数字有四位有效数字注意：注意：有效数字的位数与十进制单位的变换无关有效数字的位数与十进制单位的变换无关,即与小数即与小数点的位置无关点的位置无关.用以表示小数点位置的用以表示小数点位置的“0”不是有效数字不是有效数字,当当“0”不表示为小数点位置时是有效数字不表示为小数点位置时是有效数字.数据最后的数据最后的“0”不能随便加上不能随便加上,也不能随便去掉也不能随便去掉.某一数中可靠数字称作某一数中可靠数字称作有效数字有效数字，它的个数称作有效数，它的个数称作有效数字的位数字的位数.例如：例如：第21页，共26页，编辑于2022年，星期日1.5.2 数量级的估计数量级的估计 例如：例如：88920 取取9104 称称“数量级估计数量级估计”，实际上又将已估，实际上又将已估计的计的9104 以以105 代之代之.用用10的若干次方表示的数常称为的若干次方表示的数常称为“数量数量级级”.估计某数的数量级时估计某数的数量级时,常取整为一位有效数字乘以常取整为一位有效数字乘以10的若干的若干幂次幂次.第22页，共26页，编辑于2022年，星期日1.6 参考系参考系坐标系与时间坐标轴坐标系与时间坐标轴 任何物理过程都和时间和空间相联系任何物理过程都和时间和空间相联系.对机械运动而言对机械运动而言,空间空间规定了运动物体的大小与位置规定了运动物体的大小与位置;时间则规定了运动过程的长短时间则规定了运动过程的长短和顺序和顺序.在经典力学范围内在经典力学范围内,空间与时间是脱离物质与运动的空间与时间是脱离物质与运动的独立存在独立存在;空间是延伸到整个宇宙容纳物质的三维平直框架空间是延伸到整个宇宙容纳物质的三维平直框架,时间犹如一座始终均匀转着的钟时间犹如一座始终均匀转着的钟.第23页，共26页，编辑于2022年，星期日1.6.1 参考系和坐标系参考系和坐标系 被选作物体运动依据的物体或物体群称为被选作物体运动依据的物体或物体群称为参考系参考系，与，与参考系固连的三维空间称为参考系固连的三维空间称为参考空间参考空间.同一物体的运动情况相同一物体的运动情况相对不同的参考系是不同的对不同的参考系是不同的.为了定量表示物体相对参考系的位置为了定量表示物体相对参考系的位置,可在参考系上建立可在参考系上建立适当的适当的坐标系坐标系.即用固定在参考空间的一组坐标轴和用来规定一即用固定在参考空间的一组坐标轴和用来规定一组坐标的方法组坐标的方法.第24页，共26页，编辑于2022年，星期日1.6.2 时间坐标轴时间坐标轴 所谓考察物体的运动所谓考察物体的运动,也就是考察物体的位置变动与时间的也就是考察物体的位置变动与时间的关系关系.因而考察物体的运动还必须有时间的坐标轴因而考察物体的运动还必须有时间的坐标轴,坐标原点即坐标原点即计时起点计时起点,计时起点不一定就是物体开始运动的时刻计时起点不一定就是物体开始运动的时刻.“时刻时刻”对应于时间轴上一点对应于时间轴上一点,时刻为正或负表明在计时起点以后或时刻为正或负表明在计时起点以后或以前以前.质点在某一位置必与一定时刻相对应质点在某一位置必与一定时刻相对应.时间间隔时间间隔 指自指自某一初始时刻至终止时刻所经历的时间某一初始时刻至终止时刻所经历的时间,它对应于时间轴上它对应于时间轴上一区间一区间.质点位置变动总在一定时间间隔内发生。质点位置变动总在一定时间间隔内发生。“时间时间”一词有时指时间间隔一词有时指时间间隔,有时指时间变量有时指时间变量.第25页，共26页，编辑于2022年，星期日1.7 力学力学学习物理学的开始学习物理学的开始 力学是物理学的有机组成部分力学是物理学的有机组成部分.力学在物理学的力学在物理学的发展乃至整个人类认识发展中具有重要的地位发展乃至整个人类认识发展中具有重要的地位.它也是它也是高新技术发展的源泉和先导高新技术发展的源泉和先导.第26页，共26页，编辑于2022年，星期日